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Java领域中的线程机制-线程(四)

来源:千锋教育
发布人:qyf
时间: 2022-08-03 16:19:48 1659514788

  生命周期

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  在 Java 领域,实现并发程序的主要手段就是多线程。线程是本身就是操作系统里的一个概念,不同的开发语言如 Java、C# 等都对其进行了封装,但是万变不离操作系统。

  Java 语言里的线程本质上就是操作系统的线程,它们是一一对应的。

  在操作系统层面,线程也有“生老病死”,专业的说法叫有生命周期。对于有生命周期的事物,要学好它,思路非常简单,只要能搞懂生命周期中各个节点的状态转换机制即可。

  虽然不同的开发语言对于操作系统线程进行了不同的封装,但是对于线程的生命周期这部分,基本上是雷同的。

  通用的线程生命周期基本上可以用 初始状态、可运行状态、运行状态、休眠状态和终止状态等“五态模型”来描述。

  Java 语言中线程共有六种状态,分别是:NEW(初始化状态)RUNNABLE(可运行 / 运行状态)BLOCKED(阻塞状态)WAITING(无时限等待)TIMED_WAITING(有时限等待)TERMINATED(终止状态)。

  其实在操作系统层面,Java 线程中的 BLOCKED、WAITING、TIMED_WAITING 是一种状态,即前面我们提到的休眠状态。也就是说只要 Java 线程处于这三种状态之一,那么这个线程就永远没有 CPU 的使用权。

  其中,BLOCKED、WAITING、TIMED_WAITING 可以理解为线程导致休眠状态的三种原因。那具体是哪些情形会导致线程从 RUNNABLE 状态转换到这三种状态呢?而这三种状态又是何时转换回 RUNNABLE 的呢?以及 NEW、TERMINATED 和 RUNNABLE 状态是如何转换的?

  1. RUNNABLE 与 BLOCKED 的状态转换

  只有一种场景会触发这种转换,就是线程等待 synchronized 的隐式锁。synchronized 修饰的方法、代码块同一时刻只允许一个线程执行,其他线程只能等待,这种情况下,等待的线程就会从 RUNNABLE 转换到 BLOCKED 状态。而当等待的线程获得 synchronized 隐式锁时,就又会从 BLOCKED 转换到 RUNNABLE 状态。

  2. RUNNABLE 与 WAITING 的状态转换

  总体来说,有三种场景会触发这种转换,其中:

  第一种场景,获得 synchronized 隐式锁的线程,调用无参数的 Object.wait() 方法。其中,wait() 方法我们在上一篇讲解管程的时候已经深入介绍过了,这里就不再赘述。

  第二种场景,调用无参数的 Thread.join() 方法。其中的 join() 是一种线程同步方法,例如有一个线程对象 thread A,当调用 A.join() 的时候,执行这条语句的线程会等待 thread A 执行完,而等待中的这个线程,其状态会从 RUNNABLE 转换到 WAITING。当线程 thread A 执行完,原来等待它的线程又会从 WAITING 状态转换到 RUNNABLE。

  第三种场景,调用 LockSupport.park() 方法。其中的 LockSupport 对象,也许你有点陌生,其实 Java 并发包中的锁,都是基于它实现的。调用 LockSupport.park() 方法,当前线程会阻塞,线程的状态会从 RUNNABLE 转换到 WAITING。调用 LockSupport.unpark(Thread thread) 可唤醒目标线程,目标线程的状态又会从 WAITING 状态转换到 RUNNABLE。

  3. RUNNABLE 与 TIMED_WAITING 的状态转换

  有五种场景会触发这种转换,其中:

  调用带超时参数的 Thread.sleep(long millis) 方法。

  获得 synchronized 隐式锁的线程,调用带超时参数的 Object.wait(long timeout) 方法。

  调用带超时参数的 Thread.join(long millis) 方法。

  调用带超时参数的 LockSupport.parkNanos(Object blocker, long deadline) 方法。

  调用带超时参数的 LockSupport.parkUntil(long deadline) 方法。

  4. 从 NEW 到 RUNNABLE 的状态

  Java 刚创建出来的 Thread 对象就是 NEW 状态,而创建 Thread 对象主要有两种方法:

  首先,第一种方式是继承 Thread 对象,重写 run() 方法

  // 自定义线程对象

  class ApplicationThread extends Thread {

  public void run() {

  // 线程需要执行的代码

  ......

  }

  }

  // 创建线程对象

  ApplicationThread applicationThread = new ApplicationThread();

  其次,另一种方式是实现 Runnable 接口,重写 run() 方法,并将该实现类作为创建 Thread 对象的参数

  // 实现Runnable接口

  class ApplicationThread implements Runnable {

  @Override

  public void run() {

  // 线程需要执行的代码

  ......

  }

  }

  // 创建线程对象

  Thread thread = new Thread(new ApplicationThread());

  NEW 状态的线程,不会被操作系统调度,因此不会执行。Java 线程要执行,就必须转换到 RUNNABLE 状态。从 NEW 状态转换到 RUNNABLE 状态很简单,只要调用线程对象的 start() 方法即可。

  5. 从 RUNNABLE 到 TERMINATED

  线程执行完 run() 方法后,会自动转换到 TERMINATED 状态,当然如果执行 run() 方法的时候异常抛出,也会导致线程终止。有时候我们需要强制中断 run() 方法的执行。

  一般来说, run() 方法访问一个很慢的网络,我们等不下去了,想终止怎么办呢?

  Java 的 Thread 类里面倒是有个 stop() 方法,不过已经标记为 @Deprecated,所以不建议使用了。正确的姿势其实是调用 interrupt() 方法。

  那么,stop() 和 interrupt() 方法的主要区别是什么呢?

  stop() 方法会真的杀死线程,不给线程喘息的机会,如果线程持有 ReentrantLock 锁,被 stop() 的线程并不会自动调用 ReentrantLock 的 unlock() 去释放锁,那其他线程就再也没机会获得 ReentrantLock 锁,这实在是太危险了。所以该方法就不建议使用了,类似的方法还有 suspend() 和 resume() 方法,这两个方法同样也都不建议使用。

  interrupt() 方法仅仅是通知线程,线程有机会执行一些后续操作,同时也可以无视这个通知。

  被 interrupt 的线程,是怎么收到通知的呢?

  一种是异常:

  线程 A 处于 WAITING、TIMED_WAITING 状态时,如果其他线程调用线程 A 的 interrupt() 方法,会使线程 A 返回到 RUNNABLE 状态,同时线程 A 的代码会触发 InterruptedException 异常。上面我们提到转换到 WAITING、TIMED_WAITING 状态的触发条件,都是调用了类似 wait()、join()、sleep() 这样的方法,我们看这些方法的签名,发现都会 throws InterruptedException 这个异常。这个异常的触发条件就是:其他线程调用了该线程的 interrupt() 方法。

  当线程 A 处于 RUNNABLE 状态时,并且阻塞在 java.nio.channels.InterruptibleChannel 上时,如果其他线程调用线程 A 的 interrupt() 方法,线程 A 会触发 java.nio.channels.ClosedByInterruptException 这个异常;而阻塞在 java.nio.channels.Selector 上时,如果其他线程调用线程 A 的 interrupt() 方法,线程 A 的 java.nio.channels.Selector 会立即返回。

  另一种是主动检测:

  如果线程处于 RUNNABLE 状态,并且没有阻塞在某个 I/O 操作上,例如中断计算圆周率的线程 A,这时就得依赖线程 A 主动检测中断状态了。

  如果其他线程调用线程 A 的 interrupt() 方法,那么线程 A 可以通过 isInterrupted() 方法,检测是不是自己被中断。

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